LNG储罐中液化气翻滚原因及预防

张成伟，吕国锋，庄 芳

（中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226400）

LNG储罐中液化气翻滚原因及预防

张成伟，吕国锋，庄 芳

（中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226400）

LNG储罐中液化气翻滚会导致储罐损坏和发生液化气泄漏事故。文章介绍了LNG储罐中液化气翻滚产生的原因、危害及其影响因素，提出了储罐设计中应考虑的LNG分层的处理方案，实际生产运行中发生分层时应采取的措施等。

LNG储罐；LNG翻滚；原因；预防措施

0 引言

近几年来，随着我国天然气需求量的不断增加，液化天然气 （Liquefied Natural Gas，以下简称LNG）产业迅速发展，国内近几年已建、在建和规划建设中的LNG接收站约20座。

LNG储罐是LNG接收站中的重要设备之一，用于储存LNG，具有体积大、建造周期长、造价高等特点。在LNG储罐运行操作过程中，须监控LNG储罐内LNG温度、密度分布，及时发现LNG分层，避免产生翻滚现象，防止造成LNG储罐损坏。从20世纪70年代LNG行业兴起至今，发生过多起LNG储罐中液化气翻滚的事故，影响最为严重的有两起，一起是1971年意大利La Spezia的SNAM LNG储配站由于进料方式错误引起储罐中LNG发生翻滚，1.25 h内有136.3 t的LNG气化后泄放到大气中；另一起是1993年英国燃气公司（British Gas）LNG储配站发生液化气翻滚，2 h有150 t的LNG气化后泄放到大气中[1-2]。这两次事故引起了世界LNG产业界和学术界的关注，从而积极开展了LNG储罐中液化气翻滚的理论研究。

1 LNG翻滚现象

LNG是一种以甲烷为主要成分的低温多组分混合物，其组分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮气等。典型LNG的物理性质见表1。

表1 典型LNG物理性质

LNG储罐按结构一般可分为单容罐、双容罐和全容罐等几种形式，当前国内建造的LNG储罐大部分是全容罐，其结构是外罐为混凝土，内罐是9%Ni钢，中间填充珍珠岩等保冷材料。目前LNG接收站储罐一般设计容积为10万～20万m3，最高操作压力一般为25 kPa左右，日蒸发量小于0.05% （体积）。

LNG在储运过程中，在一定压力和温度下，能在沸点附近与其蒸发气保持平衡。LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传入的热量无法使下层的LNG及时蒸发，造成下层LNG处于过饱和状态。当储罐内上层的LNG密度大于下层时，下层LNG突然上升，导致迅速蒸发[3]。

2 LNG翻滚原因分析

2.1 LNG分层原因

2.1.1 长时间储存

LNG是以-162℃左右的低温、液态形式储存在LNG储罐内的。LNG是以甲烷为主的混合物，在储罐内储存过程中，重组分下降，轻组分上升，导致上部密度小、下部密度大，造成LNG在储罐内分层。尤其是不同产地密度差异较大的LNG混合储存在同一储罐内，长时间储存后，这种分层的趋势更加明显。

2.1.2 LNG含氮

在LNG的主要成分中，氮组分沸点最低，分子量又大于LNG主要组分甲烷 （见表1）。在LNG储存过程中，LNG内氮组分先于其他组分蒸发。储罐下部由于储罐外壁和罐底吸热，使下部的氮气气化，但是由于上部LNG的静压作用，氮气无法释放出去，在下部气化的氮气加速了下部LNG密度减小的速度，所以LNG中含氮有可能促使LNG发生翻滚。

2.1.3 LNG储罐进料方式不正确

LNG卸入储罐有顶部进料和底部进料两种方式。当进料LNG密度大于储罐内原有LNG密度，而采用底部进料，或者当进料LNG密度小于储罐内原有LNG密度，而采用顶部进料，都会使LNG无法充分混合，造成分层。

2.2 LNG翻滚形成过程分析

液化天然气的分层和翻滚现象的理论研究已经取得了很多成果，如J.Q.Shi的分层演化模型、Bate-Morrison的翻滚预测模型等[4]。

根据Bate-Morrison模型，LNG在储罐内由正常的储存状态转变到翻滚状态可分成以下几个步骤：

（1）储罐内LNG正常未发生分层，储罐从罐底、罐壁吸热， LNG气化成蒸发气 （Boil-off Gas，以下简称BOG），见图1。

（2）由于某种原因，储罐内LNG发生分层，形成上部密度小、下部密度大的两层结构，上下两层LNG各自自然对流，在分界面处，因上下两层间穿透对流和卷流导致界面向上或向下迁移，见图2。

（3）密度趋同。上层密度轻的LNG由于轻组分的正常蒸发使密度不断增大，下层密度大的LNG由于气化的BOG在静压头的作用下无法释放，密度不断减小。经过一段时间，上、下层密度相等，即发生液化气翻滚。储罐LNG上、下层密度演变如图3所示。

（4）两层混合，蒸发骤增。储罐内上、下两层趋同时，下层吸热LNG内未蒸发的LNG快速蒸发，储罐内部出现急剧的对流，瞬间产生大量的BOG，形成LNG翻滚现象，如图4所示。

3 翻滚的影响因素与预防措施

3.1 翻滚的影响因素

储罐LNG发生翻滚现象时，产生的BOG量瞬间快速增加，最大可达到正常BOG气量的100倍，会造成LNG储罐损坏，后果非常严重。影响翻滚严重程度的因素有以下几点：

（1）LNG中含氮量越高，发生翻滚的趋势越强。如果发生翻滚，含氮量越高，瞬间产生的BOG的量越大，对储罐的破坏力越大。

（2）LNG储罐发生分层后，上下LNG密度差越大，形成翻滚的时间越长，且发生翻滚时产生的BOG量越多。

（3）发生分层的LNG液位越低，翻滚的时间越短，且发生翻滚时产生的BOG量相对减小。

（4）储罐LNG发生分层后，还不断地从储罐中抽取BOG，会促进储罐发生翻滚，但发生翻滚时产生的BOG量相对要减小。

（5）卸载到储罐的LNG的温度越高，形成翻滚的时间越短。

3.2 预防措施

（1）在设计上，使用混合喷嘴和多孔管注入，使进罐的LNG与储罐内的LNG充分混合，防止分层。

（2）在设计储罐时，在储罐垂直方向上设计温度、密度监视仪表，目前一般用LTD（液位、温度、密度探测器）监视储罐内各层LNG温度、密度差异，及时发现分层现象。

因为液化气发生翻滚一般需要很长的时间，所以在生产运行操作中，正确的操作可以有效地防止分层，从而避免翻滚。具体的措施有以下几点：

（1）在生产运行操作中，可以将不同产地、不同气源的LNG分开储存，以避免密度差引起LNG分层。这种方法主要适用于储罐个数比较多的储存型LNG接收站，调峰型LNG接收站一般储罐个数比较少，无法实现LNG分开储存。

（2）采取正确的进料方式。如进料LNG密度大于储罐原有LNG的密度，则采用顶部进料。反之，当进料LNG密度小于或与储罐内原有LNG密度接近时，应采用底部进料。

（3）一般情况下，当LTD系统检测到储罐内LNG的温差大于0.2℃、密度差大于0.5 kg/m3时，即可认为发生了分层，可以启动罐底到罐顶的罐内混合流程或强制混合流程，防止翻滚现象发生，但启动这两个流程会使储罐内BOG的产生量增加。

（4）对于含氮量较高的LNG，应尽量避免在LNG储罐内长时间储存，尽快外输。

[1]王良军，刘扬.大型储罐内LNG翻滚机理和预防措施［J］.天然气工业，2008，28（5）：97-99.

[2]邹华生，黄春来.液化天然气储运中的翻滚现象分析［J］.油气储运,2006，25（11）：13-15.

[3]周伟国，阮应君，藤汜颖.液化天然气储罐中的翻滚现象及预防措施［J］.煤气与热力，2002，22（4）：294-296.

[4]顾安忠.液化天然气技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

Causes and Prevention of Liquefied Natural Gas Rollover in LNG Storage Tank

ZHANG Cheng-wei（PetroChina Jiangsu LNG Co.,Ltd.,Nantong 226400,China）,LU Guo-feng,ZHUANG Fang

Liquefied natural gas rollover in LNG storage tank will lead to tank damage and LNG leakage.The causes,hazard and influence factors of LNG rollover are described in this paper.The treatment approach to stratified LNG in design and the measures taken in practical production are also provided.

LNG storage tank;LNG rollover;cause;preventive measure

TE972.1

B

1001－2206（2011）06－0066－03

张成伟 （1962-），男，四川南部人，高级工程师，1984年毕业于重庆大学，一直从事石油、天然气工程建设的管理工作。

2011-06-29